DE2004345C3 - Verfahren zum Verstärken'"*"""" elektrischer Signale und Verwendung eines Transistors zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken hochfrequenter elektrischer Signale nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt (US-PS 2b 95 930).

Zur Verstärkung hochfrequenter elektrischer Signale werden Transistoren verwendet. Deren Wirkungsweise beruht darauf, daß aus der Emitterzone, die beispielsweise p-dotiert ist. über den Emilter-Basis-Übergang Majoritätsladungsträgcr. also Löcher, in die n-dotierte Basiszone injiziert werden. Diese Löcher sind in der Basiszone Minorilätsladungsträger und bilden mit den dort vorhandenen Majoritälsladungsträgern. also Elektronen. Paare, die zur Kollektor/onc diffundieren. Bei Anlegung einer äußeren Wechselspannung an den Kmittcr-Basis-Übergang erfolgt diese Diffusion wellenförmig. Die endliche Lebensdauer der Paare bewirkt aber, daß die Welle gedämpft ist. Dabei ist die Däiiiplunt! um so trrößer. ic höher die I leimen/ der anjjelegien Spannung ist. Der 1 t;insisior luit daher eine Grenzfrequenz, oberhalb der eine Verstärkung nicht realisierbar ist. Es ist zwar möglich, die Grenzfrequenz durch die Verwendung sehr geringer .Schichtdicken der Basiszone zu erhöhen. Diese Verschiebung der Grenzfrequenz ist aber durch eine aus technologischen Gründen geforderte Mindesldicke der Basiszone begrenzt.

Weiterhin bewirkt die Dämpfung der Difiusionswelle, daß der aus dem Verhältnis von Kollektors.rom zu Emitiersirom gebildete Stromverstärkungsfaktor maximal den Wert 1 erreicht.

Eine höhere Stromverstärkung wird auch bei dem aus der US-PS 26 95 930 bekannten Verfahren nicht erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verstärkung hochfrequenter elektrischer Signale durch einen Transistor anzugeben, bei dem der Stromverstärkungsfaktor wesentlich größer als 1 ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mil den im kennzeichnen Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch dieses Verfahren wird in vorteilhafter Weise eine auch gegenüber dem aus der US-PS 2b 45 9JO bekannten Verfahren erheblich höhere Stromverstärkung erzielt.

Das der Basiszone eingeprägte elektrische Querfeld bewirkt das Auftreten eines Gleichstromes /senkrechi zur Verbindungsrichtung zwischen Emitterzone und Kollektorzone, während das Magnetfeld in ± (I ■ Ii)-Richtung, wobei das positive Vorzeichen für eine n-dotierle Basiszone, das negative Vorzeichen für eine p-doticrtc Basiszone gilt, ein zusätzliches elektrisches Feld, das als Hall-Feld bezeichnet wird, liefert. Das Magnetfeld ist so zu poleri. daß das Hall-Feld die Minoritätsladungsträgcr und damit die Paare zur Kollektorzone treibt. Wenn die lonisalionszcit kleiner als die Lebenszeit der Ladungsträger ist. nimmt die Diffusionswelle in Richtung von der Emitterzone zur Kollektorzone exponentiell zu, während sie in entgegengesetzter Richtung stark gedämpii ist. Man bezeichnet die räumlich exponentiell zunehmende Welle als »konvektiv instabil«. Diese »konvektiv instabile« Diffusionswcllc wuchst in der Basiszone exponentiell an und wird dann am ßasis-Kollektor-Übergang wegen des dort herrschenden starken Potcntialgcfälles total reflektiert. Die reflektierte Welle ist nicht »konvekti\ instabil«, sondern stark gedämpft. Sie erreicht clic Emitterzone nur noch mit einer sehr kleinen Amplitude. Dadurch beträgt aber der zur Kollektorzonc abfließende Strom ein Vielfaches des Emitterstromes, wie sofort aus dem Sat/ der Ladungserhöhung folgt. Dies bewirkt aber, daß die Stromverstärkung groß gegen I wird und ciaß diese Lim so größer ist, je breiter die Basiszone ist.

Die in dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 2 bis 4 angegebenen Maßnahmen, durch die das Verfahren nach der Erfindung und der Transistor /ii seiner Durchführung vorteilhaft ausgestaltet werden, sind aus der DE-AS 10 47 947 bekannt.

Nachfolgend wird das Verfahren nach der Erfindung und der Transistor zu seiner Durchführung an I land der Zeichnung naher erläutert. Ks zeigt

F i g. einen Transistor in perspektivischer Ansicht.

F i g. 2 ilen Verlauf des eingeprägten elektrischen Feldes in der Basiszone /wischen der Emitter- und der Kollektor/one.

In Fig. I hat ein Transistor J. eine Basis/one 2. eine Lmiller/oiie ? und eine Kollcklor/onc 4. Die Dasis/oiu-

2 lsi MiInIiLTl. ν« alireiid die I niiilcr/i mc i mill die Kollcklorzonc 4 p-doticri sind. \ul der Fmilier/onc 3 sinil ein limillerkonlakt 6, auf der Basiszone 2 ein Basiskoniaki 7 und au! der Kollekinr/.one 4 ein Kollekiorkontakt 8 vorgesehen.

Der Lmitlerkoniakt β ist über eine Wechselspan nungsquellc 10 und eine CJIeiehsp;mnungsquelle Il mil ilem Basiskoniaki 7 verbunden. Der ßasiskontakt 7 ist über eine Gleiehspannung'.quelk' 12 und einen l.asi u iderstand 13 mit dem Kolleklorkoniakt 8 verbunden.

Senkrechl zur Verbindungsrichtung /wischen limittcrzone 3 und Kollektor/one 4 sind an der Basis/one 2 zwei Kontakte 15, 16 vorgesehen. Die Kontakte 15 und 16 sind in einem äußeren Stromkreis über eine Gleichspannuiigsquelle 17 miteinander verbunden.

In ("ig. 2 ist der Bereie'ii der Basiszone 2 zwischen limitterzone J und Kollektor/one 4 dargestellt. Dabei ist lediglich lokal zwischen dem limitier- und Kollekloriibcrgnng eine hohe elektrische ( cklsuii kc \uigesehen. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes DoIiiM'iiniisni'ofii der K;isis/i»nr in *-Richt!!n^vr 'sieh*.' lig. I)erreicht werden.

Die Gleichspanniingsquelk· 17 bewirkt den Gleichstrom /.der im Transistor_j_ zu einer Feldstarke /;', in x-Richtung führt. Die feldstärke /;', wird so gioli gewählt, daß in der Basiszone 2 zumindest /wischen limitlcrzone und Kollektorzone Stoßionisation auftritt.

Senkrecht zur Verbindungslinie /wischen Lmitler/one 3 und Kollektor/one 4 und senkrecht zur Verbindungsrichliing zwischen den Kontakten 15 und 16 wird in der Basiszone 2 ein magnetisches Feld fi erzeugt.das in /.-Richtung weisen soll.

Wenn für die Ladungsträger in der Basis/one 2 die lonisations/eit r, kleiner ist als die Lebenszeit Ti. bewirken die ("elder /J und Λ',. daß die Diffusionswelle in ^r Basiszone 2 in (I ■ /^/-Richtung »konvektiv instabil« wird, das heißt, daß ihre Amplitude in (- v/-Richlung exponentiell zunimmt. Die Diffusionswelle in der Gegenrichtung (qv/bleibt dagegen s'.ark gedämpft. Dies ist für die Stabilität des Transistors von großer Bedeutung.

Theoretische Überlegungen haben ergeben, daß in stark η-dotiertem Halbleitermaterial »konvektive Instabilität« auftritt für

.¹J-

wobei (»die Kreisfrequen/.// und //,, die Beweglichkeiten der l:l-:klronen und l/icher. T₁, die Temperatur der Löcher. Λ die Bollzmannkonstante und c die F.lemeniarl.nlung bedeutet.

Tür slark p-dolierles und für eigenleilendes Material gelten entsprechende Bedingungen.

Durch die lii|ck!iun \ mi I .olIici'u aus der l.niii lcr/i hil } in die Basiszone 2 wiril in dieser eine »kon\ekti\ itislabile« DiHusinnswelk· erregt. Diese Diliusionswelie wird durch den Linlluß der leider Ii und /:', in der Basis/one 2 exponentiell verstärkt, und Lireicht so den Kollektor Basis-lJbergang. Don winl sie wegen des starken Poteiitialgelälies lotal rellekiiert. Die reflektierte Dillusionswelle ist jedoch nicht 'ikonvekiiv instabil", sondern stark gedämpft und erreicht die Lmilter/one Ϊ mil nur sehr kleiner Amplitude. Dadurch beträgt der /in Kollekliirzone 4 ablließeilile Streun ein \ leliat-he¹·. des I.nulle!'ströme, so daß der Sironn ersiarkiiiigslakior groß gegen I ist. Da die Diliusionswelie von ί_\κ:ι l'millerzone 5 zur Kollekliirzmie 4 exponentiell /Uli Ii η in ι. is I die \erslarkiine um ίο großer, ie brei I er die

Ii.IMS/I Hie 2 ISl.

Da- eii-klrische l'eld /'.. darl in der Basis/mic 2 nuiii durch die Lmitter/one 3 oder die Koiiektor/onc 4 kurzgeschlossen werden. Da der Kollektor Basis-l Ibergang in Spernchlung vorgespannt isf. ist die Kti'lekiuc /one 4 V(JiI der Basiszone 2 isoliert i"' I kann daher da·« !■'._·!«.! /·", nicht h.jrinflussi.-n {I ■_-1- (-"πιΐιι.,τ ft.· -^i s-1 iht.Tjüin;.· ist aber meisiens in Durchlaßrichtung vorgespannt. Ihn einen Kin/schluß zu vermeiden, wird daher vorgesehen, daß der elektrische Widerstand der Linitterzv.nc Ϊ größer ist als der elektrische Widerstand der Basiszone 2. Wegen der großen Verstärkung innerhalb der Basiszone 2 kann der Lmitter-Basis-Übergang etwas in Sperrichiung vorgespannt werden, um so die fimitierzonc 3 von der Basis/one 2 /u isolieren. lⁿ diesem f all ist die Injektion aus der Kmiuerzone 3 in die Basis/one 2 schwach, so daß die Verstärkung mehl durch die Steilheit der Strom-Spannungscharaktenstik des limit■ ter-Basis-Ubergangs. sondern durch die eindampfte Difkisionswelle /ustandekomnn. Die Lnldämpfung der Dillusionswelle erfolgt durch den Linlluß der I elder Ii und /:',. die Anregung der eindampften Diffusionswelle durch Iniektion aus der Limitter/oiie 3. Die Gleichspannungsquelle 17 liefert nur die linergie fur die l.adungslragereiveiigung in der Basiszone 2. wahrend die Gleichspannungsquelle 12 die zur l.eistungsvei star kui"".' notwendige Gleichstromenergie aufbringen muß. Die Gleichspannungsquelle Il dien! der Arbeitspunkteinstellung und ist gering belastet.

Als geeignetes Halbleitermaterial hat sich ein Material hoher Beweglichkeit erwic.'n. Besonders vorteil lafl ist die Verwendung von Indiumantimonid. Bei Raumtemperatur ist Indiumantimonid praktisch eigenleitend. Für /:', = HX) V/cm beträgt bei einem Magnetfeld Ii von einigen Kilogauß die Grenzfrequen/ des Transistors einige ICTSchwingungen/sec.

Um ii()ch höhere Frequenzen mit Indiumantimonid zu erreichen, ist es nötig, tue Temperatur zu senken und/oder die Feldstärke /:', zu erhöhen. Dann beträgt für η leitende Indiumantimonid als Halbleitermaterial die obere Gren/frequen/ bei 4 K und einer Feldstärke /:", = 300 V/cm etwa 50 · 10" Schwingungcn/sec.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken hochfrequenter elektrischer Signale durch einen Transistor, bei dem in der Basiszone ein elektrisches Querfeld senkrechi zu der Verbindungsrichtung zwischen Emitter- und Kollektorzone erzeugt wird und die Basiszone von einem Magnetfeld senkrecht zur Verbindungsrichtung zwischen Emitter- und Kollektorzone und senkrecht zur Richtung des elektrischen Querfeldes in der Basiszone durchsetzt wird, das die in dem Bereich der Basiszone zwischen Emitter- und Kollektorzone vorhandenen Ladungsträgerpaare zur Kollektorzone hintreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des elektrischen Querfeldes (E) in der Basiszone (2) so hoch gewählt wird, daß es Stoßionisation der Ladungsträger in der Basiszone (2) bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d>ß der Transistor (1) im Betrieb gekühlt wird.

3. Verwendung eines Transistors zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper des Transistors (1) aus einem Halbleitermaterial hoher Beweglichkeit der Ladungsträger besteht.

4. Verwendung eines Transistors nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Indiumantimonid besteh'.

5. Verwendung eines Transistors nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand der Emitterzone (3) in Richtung des elektrischen QuerfelcL-s (E) „i-ößer als der elektrische Widerstand der Basiszone (2) in Richtung des elektrischen Querfeldcs (E)\s\..

6. Verwendung eines Transistors nach Anspruch 3. 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Basiszone (2) zwischen Emitter- und Kollektorzone (3,4) eine Dotierung mit einem Dolierungsprofil aufweist, das ein eingeprägtes elektrisches Feld in Richtung des elektrsichen Qucrfeldes '/^erzeugt.